Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

6_Лабораторный_практикум 4054

.pdf
Скачиваний:
34
Добавлен:
15.04.2015
Размер:
703.04 Кб
Скачать

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t,OC

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

t,OC

 

Th

ThGe-α

Th

Ge

Th

 

 

 

 

 

Th

 

 

 

 

 

2

 

5

3

Ge

 

 

2000

 

 

Ge

 

Ge

 

2

 

 

 

I

9

 

3

 

 

II

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1600

 

 

 

 

 

 

 

 

1800

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1400

 

 

 

 

 

 

 

 

1600

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1000

 

 

 

 

 

 

 

 

1400

 

 

 

 

 

 

 

 

 

800

 

 

 

 

 

 

 

 

1200

600

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ge

 

20

 

40

60

80

Th

Ni

 

 

 

 

Th,%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диаграмма 17

 

 

 

 

I

 

 

 

 

Ni

 

 

II

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ta

 

 

 

 

 

 

 

 

TaNi

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TaNi

 

 

 

 

 

 

 

 

TaNi

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20 40 60 80 Ta Ta,%

Диаграмма 18

21

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ

Цель работы: изучить диаграмму состояния железо - цементит, проанализировать превращения, происходящие в сплавах.

Выполнение работы рекомендуется проводить в следующем порядке:

I. Изучить по методическим указаниям компоненты, фазы, их свойства и превращения, протекающие в системе Fe - Fе3С.

Диаграмма состояния железо - цементит представлена на рис.1.

Жидкость

1600

A

I

 

 

 

+ Феррит

 

 

 

 

 

1530 1'

 

 

1

 

B

 

 

 

 

2

 

II

Феррит

 

1500

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

3

 

 

1

Феррит +

1400

N

I

1'

 

1392

 

 

 

 

Аустенит

 

1300

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1200

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

Температура

 

1100

 

 

 

 

Аустенит

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

1000

 

 

 

 

 

 

Аустенит

911

G

+ Феррит

 

 

Феррит

800

 

M

P

 

700

 

 

600

 

Феррит +

 

Q

Цементит

 

 

(третичный) 0

4

 

 

Аустенит

 

 

 

 

 

 

 

 

768

S

+ Цементит

4

 

5

 

 

(вторич-

 

 

 

 

 

 

 

й)

 

 

Фер-

 

Ц)

 

 

 

 

 

Цементит

 

 

рит +

 

Ф+

(вторичный)

 

 

Перлит

П

+ Перлит

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,8

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

20

 

30

Жидкость (L)

Жидкость + Аустенит (A)

E

1147

 

 

 

2'С

 

 

Аустенит +

 

 

А+Ц)

Цементит (вторичный)

 

 

+ Ледебурит

 

 

(Аустенит + Цементит)

Л (

 

 

 

 

727

 

 

 

 

 

 

Перлит + Цементит

 

 

Ц)

(вторичный) + Ледебу-

Л(П+

рит (Перлит + Цеметит)

3

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

 

50

 

60

 

III

 

1

D

Жидкость +

2

Цементит (перв.)

 

F

Цементит (первичный)

+Ледебурит (Аустенит

+Цементит)

3

Цементит (первичный) K + Ледебурит (Перлит +

 

 

 

 

Цементит)

 

L

5

 

 

6

6.67 7% C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

70

 

80

90

100% FeC

Рис.1 – Диаграмма состояния сплавов железо-цементит

22

 

 

 

Компонентами в данной системе являются

точка

t, °C

C, %

A

1539

0

железо и цементит.

B

1499

0,51

Железо: металл серебристо - белого цвета.

 

 

 

Атомный номер 26, атомный радиус 0,127 нм.

H

1499

0,1

J

1499

0,16

Температура плавления железа 1539°С. Железо

 

 

 

имеет две кристаллографические модификации:

N

1392

0

 

 

 

кубическую объемноцентрированную (ОЦК) и

E

1147

2,14

 

 

 

кубическую гранецентрированную (ГЦК). Же-

C

1147

4,3

 

 

 

лезо с ОЦК решеткой существует в двух темпе-

F

1147

6,67

 

 

 

ратурных интервалах: до 911°С и от 1392°С до

D

1260

6,67

 

 

 

1539°С. До температуры 768°С железо ферро-

G

911

0

магнитно и его называют α - железо (α-Fe), а

P

727

0,02

 

 

 

выше этой температур - парамагнитно. Критиче-

S

727

0,8

скую точку (768°С), соответствующую магнит-

K

727

6,67

 

 

 

ному превращению, т.е. переходу из ферромаг-

Q

600

0,006

 

 

 

нитного состояния в парамагнитное, называют

 

 

 

точкой Кюри и обозначают А2. Парамагнитное железо с ОЦК решеткой обозначают β - железо (β-Fe). A железо в интервале температур 1392-1539°С обозначало δ - железо (δ-Fe). Период ОЦК решетки зависит от температуры: у низкотемпературного α-Fe -0,286 нм, а у высокотемпературного δ-Fe - 0,364 нм. В интервале температур 911°- 1392°С железо имеет ГЦК - решетку и называется γ - железо (γ-Fe). Критическую точку G γ → α превращения при 911°С обозначают А3, а критическую точку N δ→γ превращения при 1392°С обозначают А4.

Железо может растворять в себе различные элементы, образуя с неметаллами твердые растворы внедрения, а с металлами твердые растворы замещения. Механические свойства технического железа характеризуются следующими величинами: предел прочности при растяжении σв≈120МПа, относительное удлинение при разрыве ε≈50%, относительное сужение ψ≈85%, твердость 80НВ. Эти показатели могут изменяться в некоторых пределах, т.к. на свойства железа влияет размер зерна, температура, наличие примесей.

Цементит (обозначают Ц) - карбид железа (практически постоянного состава)-химическое соединение углерода с железом - Fе3С, содержащее углерода 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Цементит слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210°С (критическая точка: Ао). Температура плавления цементита считается равной

23

1260°С.

Цементит обладает высокой твердостью (>800НВ), но чрезвычайно низкой, практически нулевой, пластичностью. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов, а атомы железа - металлами. Такой твердый раствор на базе цементита называется легированным цементитом.

На диаграмме Fe - Fе3С присутствуют следующие фазы: жидкий расплав (L), феррит (Ф), аустенит (А) и цементит (Ц).

Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Предельная растворимость углерода в низкотемпературном α-Fe = 0,02 % т. Р, а в высокотемпературном δ-Fe = 0,1 % т. Н. Столь низкая растворимость углерода в α-Fe обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях). Феррит - мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами:

уB 300МПа, е 40% , ш 70% , KCU 2,5МДж/м2 , твердость до

100НВ.

Аустенит (А)- твердый раствор внедрения углерода в γ -железе. Предельная растворимость углерода в γ-Fe =2,14% т. Е. Механические свойства аустенита характеризуются меньшей пластичностью и большей прочностью (уB 300 - 350МПа) и твердостью (160-200НВ),

чем у феррита.

Линии диаграммы (рис.1):

1.АВСD - линия ликвидус.

2.АНJECF - линия солидус.

3.HJB - линяя перитектического превращения (t = 1499°С). В результате перитектической реакции образуется аустенит:

LB ФН АJ .

Реакция наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до 0,51%. Причем, в сплавах, содержащих углерода от 0,1% до 0,16%, после завершения реакции в избытке остается феррит, а в сплавах, содержащих углерода от 0,16% до 0,51%, в избытке остается жидкость. Это связано с тем, что перитектическая реакция протекает при строгом количественном соотношении фаз. Необходимое количество реагирующих фаз в данной системе определяется т. J (Ф/L= JB/HJ).

4. ECF- линия эвтектического превращения (t = 1147°С). В результате эвтектической реакции из жидкой фазы образуется эвтектическая

24

смесь аустенита и цементита, называемая ледебуритом (Л)

LC AE ЦF .

Реакция протекает у всех сплавов системы, содержащих углерода более 2,14%. Структура смеси при температуре 727°С изменяется, т.к. аустенит превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита. В ледебурите цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости >700НВ и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием. Количественное соотношение фаз при эвтектическом превращении характеризует точка C (Ц/А=EC/CF). После завершения реакции, в доэвтектических сплавах, содержащих углерода от 2,14% до 4,3%, в избытке остается аустенит, а в заэвтектических сплавах, содержащих углерода от 4,3% до 6,67%, в избытке остается цементит.

5. PSK - линия эвтектоидного превращения (t = 727°C). Обознача-

ется А1.

В результате эвтектоидного превращения из аустенита образуется смесь феррита и цементита, называемая перлитом (П).

AS ФP ЦК .

Эвтектоидное превращение протекает во всех сплавах системы, содержащих углерода более 0,02%. Перлит может иметь зернистое, но чаще имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей со следующими механическими свойствами:

уB 800 - 900МПа, у0,2 450MПа , е 16%, твердость 180-220НВ;

6.МО - линия магнитного превращения (t = 768°С). При нагреве

выше этой линии ферромагнитный феррит превращается в парамагнитный, а при охлаждении - наоборот.

7. ES - линия сольвус (обозначается Аст). Это линия характеризует изменения концентрации углерода в аустените при изменении температуры. С понижением температуры от 1147°С до 727°С предельная растворимость углерода в γ-Fe понижается от 2,14% до 0,8%, вследствие чего выделяющийся углерод, взаимодействуя с железом, образует цементит, называемый вторичным II). Цементит, кристаллизующийся из жидкого расплава, называется первичным. Цементит вторичный образуется во всех сплавах, содержащих углерода более

0,8%.

8. PQ - линия сольвус. Эта линия характеризует изменение кон-

25

центрации углерода в феррите при изменении температуры. С понижением температуры от 727°С до комнатной предельная растворимость углерода в феррите понижается от 0,02% до 0,006%, вследствие чего при охлаждении из феррита вытесняется углерод, образующий цементит, называемый третичным (ЦIII). Во всех сплавах, содержащих углерода более 0,02%, происходит образование ЦIII, но его пластинки нарастают на уже имеющиеся пластинки цементита, поэтому структурно неразличимы.

Все сплавы изучаемой системы можно разделить на две группы: стали и чугуны. Стали содержат углерода от 0,02% до 2,14%, а чугу-

ны - от 2,14% до 6,67%.

Стали подразделяются на доэвтектоидные (от 0,02% до 0,8%С), эвтектоидные (0,8%С) и заэвтектоидные (от 0,8% до 2,14%С). Чугуны подразделяются на доэвтектические (от 2,14% до 4,3%С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (4,3% - 6,67%C).

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов: Сплав I (доэвтектоидная сталь, содержащая 0,12%С)

t,OC

1

2 2'

3

4

5 5'

τ,с

Рис. 2 – Кривая охлаждения сплава, содержащего 0,12%С

Кристаллизация сплава начинается при температуре т.1 (с1 1):из

жидкой фазы кристаллизуется феррит, состав которого по мере кристаллизации до температуры т.2 (с2 0 ) изменяется по линии(1'-Н), а

состав жидкой фазы по линии (1-B). При температуре т.2 в сплаве протекает перитектическое превращение при избытке феррита, т.к. требуемое соотношение фаз для этого превращения Ф/Ж = JB/HJ, а в т.2 - 2B/H2 > JB/HJ. Поэтому после превращения в системе будет кроме аустенита присутствовать еще и феррит.

При охлаждении сплава в интервале температур от т.2 до т.3 (с 1) происходит превращение оставшегося после перитектической реакции феррита в аустенит. Ниже температуры т.3 сплав состоит из однородного аустенита. При охлаждении сплава в интервале температур

26

от т.3 до т.4 превращений в нем не происходит. При температуре т.4 (с4 1) в сплаве начинается превращение аустенита в феррит, т.к.

происходит полиморфное превращение γ-Fe α-Fe, при этом состав оставшегося аустенита изменяется по линии (4-S ),т.е. аустенит обогащается углеродом. Этот процесс продолжается до температуры 727°С. При этой температуре весь аустенит, содержащий 0,8%С, превращается в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали (Ф+П).

По мере охлаждения сплава от температуры т.5 до комнатной из феррита будет выделяться ЦIII, но он, как указывалось выше, будет структурно неразличим.

Сплав II (заэвтектоидная сталь, содержащая 1,8%С). Кристаллизация сплава начинается при температуре т.1 (с1 1) –

на кривой охлаждения наблюдается точка перегиба: из жидкой фазы начинается кристаллизоваться аустенит, состав которого по мере снижения температуры изменяется по линии (1'-2),а состав жидкой фазы

- по линии (1-2').

t,OC

1

2

3

4 4'

τ,с

Рис. 3 – Кривая охлаждения сплава, содержащего 1,8%С

При температуре т.2 первичная кристаллизация сплава заканчивается и его структура состоит из аустенита, состав которого, соответствует составу сплава. В интервале температур от т.2 до т.3 никаких превращений в сплаве не происходит. При дальнейшем охлаждении сплава в интервале температур от т.3 до т.4 из аустенита, вследствие понижения в нем растворимости углерода, выделяется цементит вторичный (ЦII). Состав аустенита при этом изменяется по линии (3-S) и при температуре т.4 (727°С) в нем содержится 0,8%С. При температуре т.4 (с4 0 ) весь аустенит превращается в перлит вследствие эв-

тектоидного превращения AS ФP ЦК ), который вместе с выде-

лившимся ранее цементитом вторичным образует конечную структуру стали (П + ЦII). При дальнейшем охлаждении сплава до комнатной

27

температуры из феррита, входящего в состав перлита, выделяется углерод, образующий ЦIII, но он структурно неразличим и его количество незначительно.

Сплав III (заэвтектический чугун, содержащий 4,8%С).

t,OC

1

2 2'

3 3'

τ,с

Рис. 4 – Кривая охлаждения сплава, содержащего 4,8%С

Кристаллизация сплава начинается при температуре т.1 (с1 1) из

жидкой фазы кристаллизуется цементит, называемый первичным (ЦI). Кристаллизация ЦI протекает в интервале температур от т.1 до т.2, при этом состав жидкой фазы изменяется по линии (1-C). Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением в т.2 (с2 0 ) при температуре (1147°С) с образованием ледебурита

LC AE ЦF

При эвтектическом превращении соотношение цементита к аустениту находиться в пропорции Ц/А = ЕС/СF. Так как в рассматриваемом сплаве в т.2 2Е/2F > ЕС/СF, т.е. цементит находится в избытке и при температуре ниже 1147°С в структуре сплава будет находиться ледебурит и избыточный цементит первичный (ЦI), выделившийся ранее.

При дальнейшем охлаждении сплава в интервале температур от т.2 до т.3 происходит выделение из аустенита ЦII, но пластинки ЦII структурно неразличимы, т.к. наслаиваются на пластинки цементита, входящего в состав ледебурита. При температуре т.3 (с3=0) аустенит ледебурита превращается в перлит, т.е. ледебурит ниже температуры т.3 состоит из перлита и цементита. Конечная структура заэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из ЦI и Л (П + Ц).

II. Получить у преподавателя вариант задания и проанализировать превращения, протекающие в сплаве, построив кривую охлаждения заданного сплава с применением правила фаз.

III. Определить составы и количественное соотношение (%) фаз (структурных составляющих) в сплаве при указанной в таб.1 темпера-

28

туре.

IV. Оформить отчет и защитить выполненную работу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1

вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,01

0,04

0,12

0,3

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

2,3

°С

800

1400

780

1520

1200

740

760

900

1200

600

вариант

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

2,5

2,8

3,0

3,5

3,8

4,2

4,3

4,5

5,2

6,0

°С

800

900

600

1200

750

800

950

1150

900

727

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дать определение и характеристику компонентов, фаз и структурных составляющих, присутствующих в изучаемой системе, указать их свойства;

2.Назвать основные линии диаграммы охарактеризовать превращения, протекающие на этих линиях.

3.Для любой точки диаграммы определить состав фаз (структурных составляющих) и их количество.

ЛИТЕРАТУРА

1.Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М.Лахтин, В.П.Леонтьева, Москва, Машиностроение, 1990.-528с.

2.Материаловедение: учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов [и др.]; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – 2-е изд. – Москва: Машино-

строение, 1986.-383с.

3.Материаловедение / Б.Н. Арзамасов [и др.]. – 7-е изд. – Москва: Изд-во МГТУ им.Н.Э. Баумана, 2005.-648с.

4.Геллер Ю.А. Материаловедение / Ю.А.Геллер, А.Г. Рахштадт.- Москва: Металлургия, 1989. – 456с.

5.Худокормова Р.Н., Пантелеенко Ф.И. Материаловедение: Лабораторный практикум, Мн., Вышэйшая школа, 1988

6.Кенько В.М. Материаловедение: курс лекций. – Гомель: ГГТУ им. П.О.Сухого, 2009, 246с.

7.В.М.Кенько, Н.И.Базилеева,М.М.Овчинникова «Методическое указание к лабораторным работам» по курсам «Материаловеде-

ние» и «Конструкционные материалы» для студентов (часть3)/: каф.«Материаловедение в машиностроении».-Гомель.ГПИ,1988.- 63с.

29

Лабораторная работа №3

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Цель работы - ознакомиться с видами химико-термической обработки и произвести цементацию стали.

Приборы и материалы: микроскоп ММУ-3, твердомеры Бринелля и Роквелла, электропечь, шлифовальная и полировальная машины, контейнер, карбюризатор, образцы из низкоуглеродистой стали, вата, фильтровальная бумага, травитель, спирт.

Выполнение работы рекомендуется производить в следующем порядке:

1.Ознакомиться с теоретическими положениями по химикотермической обработке

Химико-термической обработкой (ХТО) называется обработка,

заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. Такая обработка позволяет повысить твердость, износостойкость, усталостную прочность и долговечность, а также стойкость изделия к окислению и электрохимической коррозии. При хи- мико-термической обработке происходит поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (C, N, Al, Cr, Si, и др) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

ХТО включает три последовательные стадии:

– выделение диффундирующего элемента в атомарном виде из рабочей среды, вследствие химических реакций, обычно распада

(диссоциации) молекул окружающей среды, например,

2NH3 2Nат 3H2 ;

поглощение атомов диффундирующего элемента поверхностью детали (адсорбция);

проникновение атомов вглубь от поверхности (диффузия). Насыщение поверхности стали при ХТО возможно лишь хими-

ческими элементами, образующими твердые растворы или химические соединения. Скорость диффузии зависит от состава и кристаллического строения образующихся фаз. При насыщении стали элементами, образующими твердые растворы внедрения (C, N), диффузион-

30

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]